Hombre, Ciencia y Tecnología ISSN: 1028-0871 Vol. 24, No. 2, abril-junio pp.11-19, 2020
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Estudio del proceso de electrocoagulación de la vinaza empleando electrodos de
aluminio.
Study of the vinasse electrocoagulation process using aluminum electrodes.
Autores: Ing. Daylín Frómeta-Frómeta, Lic. Williams Miguel Díaz-Rosales
Organismo: Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible, Ministerio
de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, Guantánamo, Cuba.
E-mail: daylin@slcds.gtmo.inf.cu
Resumen.
Este trabajo forma parte de una
investigación ejecutada en la
Universidad de Oriente en búsqueda de
soluciones que permitieran obtener las
condiciones operacionales más
factibles, que técnica y
económicamente influyen en el proceso
de electrocoagulación de la vinaza,
utilizando electrodos de aluminio. La
vinaza utilizada en este trabajo se
adquiere como residual del proceso de
obtención de alcohol etílico. Se
realizaron ensayos experimentales para
determinar la densidad de corriente, el
tiempo de electrólisis y el pH de la
solución. En el estudio del proceso de
electrocoagulación se realizó la
determinación del color como parámetro
de calidad de la vinaza, y para el
seguimiento de la efectividad de este
proceso, en cuanto a su
descontaminación y obtención de
sólidos inhibidores de la corrosión, una
vez determinadas estas condiciones, se
hizo un análisis económico preliminar
para determinar el costo operacional
expresado en pesos por toneladas de
sólidos removidos.
Palabras Clave: Vinaza,
electrocoagulación, sólidos inhibidores
de la corrosión.
Abstract.
This work is part of an investigation
accomplished at the Universidad de
Oriente, in search of solutions that
would allow obtaining the most
feasible operational conditions, which
technically and economically influence
the vinasse electrocoagulation
process using aluminum foil
electrodes. The vinasse used in this
work is acquired as residual from the
process to obtain ethyl alcohol.
Experimental tests were carried out to
determine the current density, the
electrolysis time and the pH of the
solution. In the study of the
electrocoagulation process, the color
determination was applied as a
vinasse quality’s parameter and to
monitor the effectiveness of this
process, regarding contamination and
obtaining solid inhibitors of corruption.
Once determined these conditions, a
preliminary economic analysis was
made to determine the operational
cost expressed in Cuban pesos per
tons of solids removed.
Keywords: Vinasse,
electrocoagulation, corrosion inhibitory
solids.
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Introducción.
Uno de los métodos fundamentales para la prevención de la corrosión es la utilización de
inhibidores, y éstos son productos químicos que reaccionan con la superficie metálica,
dando a la misma cierto nivel de protección. Algunos tipos de residuales industriales,
contienen elementos que debido a sus propiedades inhibidoras pueden ser usados para
combatir este problema que afecta a nivel mundial. Durante muchos años, la práctica
tradicional ha sido exigir a la industria la utilización de tecnologías para el control de la
contaminación al final de los procesos o actividades, a fin de garantizar el cumplimiento de
los límites máximos admisibles de contaminantes en las emisiones y descargas, reduciendo
con ello los riesgos para la salud y el ambiente asociados a este fenómeno, sin embargo, el
problema persiste, siendo la utilización de residuales industriales una alternativa atractiva,
que permite, al mismo tiempo, el tratamiento adecuado y aprovechamiento de los mismos, lo
que contribuye a la disminución de la contaminación del medio ambiente. De esta forma, se
pueden obtener productos valiosos y un desecho con valor negativo pasa a ser una materia
prima cuyo empleo resulta económicamente ventajoso.
La contaminación es uno de los problemas ambientales más relevantes que afectan al
mundo y surge cuando se produce un desequilibrio natural que cause efectos adversos en el
hombre, en los animales y vegetales. Un ejemplo lo constituye la industria alcoholera
cubana, que al verter sus efluentes (vinaza), trae como consecuencia un alto poder
contaminante en ríos y mares provocando afectaciones al medio ambiente.
Las vinazas de las destilerías de alcohol etílico, son los residuales de mayor agresividad y
carga orgánica que genera la industria azucarera en su conjunto (MINAZ. 1995), los que se
producen en una proporción de 12 a 15 L por cada litro de alcohol producido y una
agresividad de 60 000 a 150 000 mg DQO/L, casi mil veces mayor que la permitida por la
normatividad. La solución de esta problemática debe apoyarse fundamentalmente en
medidas para la reducción del volumen y agresividad de los mostos y alternativas de
aprovechamiento.
Estudios realizados por Ojeda E. y Hing R. permitieron evaluar los sólidos de la vinaza
obtenidos por electrocoagulación, demostrando la efectividad de este producto como
inhibidor de la corrosión del acero a diferentes valores de pH.
La electrocoagulación es un tratamiento electroquímico muy utilizado en el tratamiento de
residuales, por medio del cual se desestabilizan contaminantes suspendidos, emulsificados
o disueltos en un medio acuoso, haciendo pasar una corriente eléctrica a través del mismo.
La operación se lleva a cabo usando una variedad de ánodo y cátodo geométrico, electrodos
consumibles, generalmente de hierro o aluminio, por los cuales fluye la corriente necesaria
para que los mismos comiencen a reaccionar con el medio, análogamente a un proceso de
corrosión. Los principales factores que influyen en la eficiencia del proceso de
electrocoagulación son: el pH, la temperatura de la solución, el tiempo de residencia, el
material de los electrodos y la intensidad de la corriente. El fundamento teórico de la
electrocoagulación consiste en que la precipitación se lleva a cabo al mismo tiempo que la
desestabilización de coloides.
En la actualidad, se llevan a cabo investigaciones para determinar las condiciones factibles,
técnica y económicamente, que influyen en el proceso de electrocoagulación de la vinaza,
con el objetivo de obtener sólidos inhibidores de la corrosión, resolviéndose dos problemas
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de gran importancia para la sociedad, la contaminación del medio ambiente y la corrosión
de los materiales metálicos en contacto con medios agresivos.
Método o Metodología.
Residuo industrial: La vinaza
El líquido a tratar en esta investigación es la vinaza residual, producto de la destilación
alcohólica a partir de mieles finales de la caña de azúcar, que se lleva a cabo en el complejo
azucarero Argeo Martínez perteneciente al MINAZ de la provincia Guantánamo. Este
residual es vertido directamente a un conducto que descarga dicho residuo en una laguna
de oxidación.
Los reactivos químicos utilizados para la realización de los ensayos experimentales para
determinar el efecto del pH fueron los siguientes:
Ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) con una concentración de un 10%.
Hidróxido de sodio (NaOH) con una concentración de un 10%.
Electrodos
El material de los electrodos utilizados en esta investigación, es una aleación de aluminio. Es
un excelente conductor del calor y de la electricidad; el valor de su densidad es de 2,7g/cm
3
y las temperaturas de fusión y ebullición son de 660º C y 2,467º C, respectivamente.
Figura 1. Electrodos de aluminio.
Descripción de la instalación experimental
Para la obtención del sólido a partir de la vinaza se utilizó un electrocoagulador a escala de
laboratorio el cual está compuesto por dos electrodos planos de aluminio, dispuestos
verticalmente, cuyas dimensiones totales son de 68 mm de largo, 40 mm de ancho, y 1 mm
de espesor, espaciados 15 mm, previendo un cortocircuito en la instalación. Para energizar
el sistema se utilizó una fuente de corriente directa, en la que se podía regular la corriente y
el voltaje aplicado; mediante la conexión de un amperímetro y un voltímetro, en serie y
paralelo respectivamente. Los electrodos fueron conectados en paralelo para que la
diferencia de potencial entre las placas fuera la misma, ya que si se conectaran en serie
existiría de un electrodo a otro una progresiva caída de voltaje y a la vez una mayor
resistencia al paso de la corriente, esto se traduce en un incremento del consumo de
energía. Todo este sistema se encuentra en el interior de un Beaker transparente de 1 mm
de espesor, geometría cilíndrica, 10 cm de diámetro y 20 cm de profundidad. La capacidad
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útil de la instalación es de 350 mL de vinaza a procesar, cubriendo el 100 % de los
electrodos. En la Figura 2 se observa la instalación experimental y en la Figura 3 se puede
observar tanto el cátodo como el ánodo luego del proceso de electrocoagulación, éste último
cubierto por partículas sólidas.
Fig 2. Instalación experimental.
.
La secuencia del desarrollo del proceso de electrocoagulación se muestra en la siguiente
figura.
A continuación se pone a secar la espuma en la estufa a 40 ºC y se procede a centrifugar el
líquido tratado para acelerar la floculación, el sólido floculado se extrae de la centrífuga en
Figura 5. Sólidos Secos obtenidos de la electrocoagulación de
la vinaza
a) Procedentes de la espuma, (b) Procedentes del lodo.
Fig 4. Proceso de electrocoagulación.
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forma de lodo, éste se pone a secar en la estufa a la misma temperatura que la espuma. Al
cabo de 72 horas aproximadamente, el sólido presente, tanto en la espuma como en el lodo,
se encuentra totalmente seco, y listo para ser pesado y envasado, el líquido residual es
analizado por el método espectrofotométrico para la determinación del color.
Resultados y Discusión.
Para investigar el efecto de la densidad de corriente en la eficiencia de la remoción de color
y en la obtención de los sólidos, el proceso de electrocoagulación se llevó a cabo empleando
varias densidades de corriente.
Tabla 1. Cantidad de sólidos obtenidos en la espuma y en el líquido para diferentes
densidades de corriente.
I (A)
pH
i
Luminancia
(%)
%R
i (A/cm
2
)
Sólidos
totales
(g)
Cantidad de
sólidos (g)
Espuma
Líquido
1
4,02
9,92
21,08
0,01768
2,8903
0,3826
2,5077
3
4,02
17,68
40,73
0,05304
3,2712
0,8602
2,411
5
4,56
28,47
57,09
0,088402
6,1515
3,52
2,6315
7
4,47
47,38
74,49
0,12376
8,9202
6,16
2,7602
9
4,43
69,16
87,41
0,15912
13,4839
11,09
2,3939
11
4,56
72,13
88,84
0,19448
16,4816
14,11
2,3716
13
4,47
75,56
90,43
0,22984
16,4722
14,24
2,2322
Para alcanzar el valor más factible de densidad de corriente, se hace necesario evaluar la
eficiencia de la remoción de color y el consumo de energía. En la Tabla 2. se muestran los
datos, estos resultados permiten corroborar que la densidad de corriente más factible técnica
y económicamente es 0.15912 A/cm
2
para la cual se obtiene un 87.41% de remoción de
color y 44.50*10
-5
kW.h/g de sólidos removidos
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Tabla 2. kW.h/g de sólido removido a las diferentes densidades de corriente.
En este estudio económico preliminar, el costo de la energía y el costo del electrodo se
consideran como los renglones fundamentales, el mantenimiento y el costo fijo no son
significativos para la comparación en el cálculo del costo de operación, expresándose este
costo como kW.h por gramo de sólidos removidos.
El cálculo económico se hizo teniendo en cuenta fundamentalmente el consumo de la
energía eléctrica (Cenergía), la eficiencia de la energía eléctrica (
), el consumo de energía
eléctrica específica (See) y el costo de operación (Co).
Costo de operación =
CelectrodobCenergíaaCo **
Cenergía
y
Celectrodo
: son las cantidades de consumo de energía y de electrodo
respectivamente por gramo de sólido removido, los cuales se obtienen experimentalmente.
El consumo de energía eléctrica y la eficiencia de la corriente son algunos de los parámetros
de suma importancia en el proceso de electrocoagulación.
El consumo de la energía eléctrica fue calculado usando la ecuación:
M
VFn
See
*10*6.3
***
3
erimental
teorico
exp


Fn
t
EC
teorico
*
**

Estos cálculos fueron realizados para los parámetros operacionales factibles técnicamente
en el proceso de electrocoagulación. (i= 0.15912 A/cm
2
, t= 7min, pH=4.57). Los valores de
los cálculos se muestran en la Tabla 3.
I
(A)
pH
i
pH
f
%R
Sólidos
totales (g)
kW.h/g
totales
i (A/cm
2
)
1
4,02
4,07
21,08
2,8903
8,65E-05
0,01768
3
4,02
4,17
40,73
3,2712
3,06E-04
0,05304
5
4,56
5,03
57,09
6,1515
40e64e-5
0,088402
7
4,47
4,93
74,49
8,9202
4,58E-04
0,12376
9
4,43
4,8
87,41
13,4839
4,45E-04
0,15912
11
4,56
4,43
88,84
16,4816
5,28E-04
0,19448
13
4,47
4,17
90,43
16,4722
8,55E-04
0,22984
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Tabla 3. Parámetros característicos calculados para el proceso de electrocoagulación en las
condiciones arriba mencionadas.
%RC
Cenergía
(kW.h/g de
sólido
removido)
erimental
M
exp
(g)
teórico
M
(g)
(%)
See
kW.h/g
de Al
disuelto
Co
($/Ton)
90,15
5,625*10
-4
0,36
0,352
97,78
21,85
87,76
Conclusiones.
El mejor valor factible técnica y económicamente de densidad de la corriente para el proceso
de electrocoagulación de la vinaza es de: i= 0.15912 A/cm
2
(I= 9A), para el cual se alcanza
un por ciento de remoción de color de 87.41% y un consumo de energía de 44.50*10
-5
kW.h/g de sólidos removidos.
Se comprobó que a medida que aumenta la densidad de corriente se obtiene mayor
cantidad de sólidos en la espuma mientras que en el del líquido permanece prácticamente
constante.
El tiempo de electrólisis que permite obtener una mayor eficiencia en el proceso de
electrocoagulación de la vinaza para una densidad de corriente de 0.15912 A/cm
2
es de 7
min.
El pH de la solución electrolítica que permite obtener un mayor por ciento de remoción de
color en el proceso de electrocoagulación de la vinaza para una densidad de corriente de
0.15912 A/cm
2
y un tiempo de 7 min es de 4.57.
El costo del proceso de electrocoagulación de la vinaza es de 87.76 $/Ton de sólido
removido para los valores factibles técnica y económicamente siendo los valores de pH de
4.57 y tiempo de electrólisis de 7 min.
Recomendaciones.
Realizar un diseño de experimentos partiendo de los resultados obtenidos en este
trabajo investigativo, que permita determinar la interacción de las variables
estudiadas.
Realizar un estudio sobre la influencia de la conductividad de la vinaza en el proceso
de electrocoagulación.
Caracterizar los sólidos en las condiciones factibles técnica y económicamente, y
realizar un estudio de los mismos como inhibidores de la corrosión.
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Yagual, Ana Paula (2017) "Diseño y construcción de un equipo didáctico de
electrocoagulación para el tratamiento de vinaza proveniente de una destilería"
Fecha de recibido: 6 ene. 2020
Fecha de aprobado: 10 mar. 2020